計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)范文

1、第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念【學(xué)習(xí)指南】一.本章是全書的基礎(chǔ)，所以要透切理解本章所介紹的基本概念，例如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義，計(jì)算機(jī)組成定義，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)定義，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)的三者關(guān)系，透明性，Amdahl定律，CPU性能公式，局部性原理，MIPS定義，MFLOPS定義等等。1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，按功能劃分為多級(jí)層次結(jié)構(gòu)。2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為一門學(xué)科，主要是研究軟件，硬件功能分配和對(duì)軟件、硬件界面的確定，即 哪些功能由軟件完成，哪些功能由硬件完成。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是三個(gè)不同 的概念。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件的界面；計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)

2、構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)； 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(1) 通常把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按照其性能和價(jià)格的綜合指標(biāo)分為巨型、大型、中型、小型、微型等。(2) 按用途可分為科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理、實(shí)時(shí)控制、家用等。(3) 按處理機(jī)個(gè)數(shù)和種類，可分為單處理機(jī)、多處理機(jī)、并行處理機(jī)、關(guān)聯(lián)處理機(jī)、超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、SMP (對(duì)稱多處理機(jī))、MPP (大規(guī)模并行處理機(jī))、機(jī)群系統(tǒng)等。(4)Flynn分類法。按照指令流和數(shù)據(jù)流的不同組織方式，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為以下四類:單指令流單數(shù)據(jù)流 單指令流多數(shù)據(jù)流 多指令流單數(shù)據(jù)流 多指令流多數(shù)據(jù)流SISD ( Single Instruction

3、 stream Single Datastream ) SIMD ( Single Instruction stream Multiple Datastream ) MISD ( Multiple Instruction stream Single Datastream)MIMD ( Multiple In struction stream Multiple Datastream )(5)馮式分類法。提出用最大并行度對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。分為:字串位串WSBS( Word Serial and Bit Serial)字并位串WPBS( Word Parallel and Bit Seria

4、l)字串位并WSBP( Word Serial and Bit Parallel)字并位并WPBP(Word Parallel and Bit Parallel )4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理(1) 加快經(jīng)常性事件的速度 (Make the common case fast)。(2) Amdahl定律：系統(tǒng)中某一部件由于采用某種更快的執(zhí)行方式后整個(gè)系統(tǒng)性能的提高與這種 執(zhí)行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時(shí)間的比例有關(guān)。Fe表示(改進(jìn)前可改進(jìn)部分占用的時(shí)間)/ (改進(jìn)前整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間)，Se表示(改進(jìn)前改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間)/ (改進(jìn)后改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間)，則：改進(jìn)后的整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間為：FeTn

5、 T(1 Fe ),其中To為改進(jìn)前的整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。Se改進(jìn)后的整個(gè)系統(tǒng)加速比為：(3) CPU性能公式。CPU時(shí)間=CPU時(shí)鐘周期數(shù)/頻率；CPU時(shí)間=CPU時(shí)鐘周期數(shù)*時(shí)鐘周期長(zhǎng)；平均時(shí)鐘周期數(shù) CPI=CPU時(shí)鐘周期數(shù)/IC (指令的條數(shù))；CPU 時(shí)間=(IC*CPI ) /頻率 f ；(4)訪問的局部性原理。時(shí)間局部性、空間局部性。5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(1)性能MIPS ( Million Instructions Per Second )指令條數(shù)fMIPS = 執(zhí)行時(shí)間 *106 = CPI *106MFLOPS ( Million Floating point Operat

6、ions Per Second )MFLOPS =程序中的浮點(diǎn)操作次數(shù)執(zhí)行時(shí)間*106用基準(zhǔn)測(cè)試程序來測(cè)試評(píng)價(jià)機(jī)器的性能。綜合基準(zhǔn)測(cè)試程序。性能比較總執(zhí)行時(shí)間。加權(quán)執(zhí)行時(shí)間。成本成本指標(biāo)。硬件考慮。6.馮？諾依曼計(jì)算機(jī)的特征可概括為：存儲(chǔ)器是字長(zhǎng)固定的、順序線形編址的一維結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)器提供可按地址訪問的一級(jí)地址空間，每個(gè)地址是唯一定義的。由指令形式的低級(jí)機(jī)器語言驅(qū)動(dòng)。指令的執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲(chǔ)器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令 實(shí)現(xiàn)。機(jī)器以運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送都途經(jīng)運(yùn)算器。運(yùn)算器、存 儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備的操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。二.

7、通過做例題和習(xí)題，會(huì)做下列類型的計(jì)算題：(1).有效(平均)CPI計(jì)算題假設(shè)在一臺(tái)40MHZ處理機(jī)上運(yùn)行200,000條指令的目標(biāo)代碼，程序主 要由四種指令組成。根據(jù)程序跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已知指令混合比和每種指令所需的指令數(shù)如下。計(jì)算在 單處理機(jī)上用跟蹤數(shù)據(jù)運(yùn)行程序的平均CPI(2)(3)(1)(3)(5)算術(shù)和邏輯高速緩存命中的加載/存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移高速存儲(chǔ)缺失的存儲(chǔ)器訪問解CPI = 1*60% + 2*18% + 4*12% + 8*10%CPI,并根據(jù)所得的 CPI,計(jì)算相應(yīng)的 MIPS速率。指令類型指令混合比60%18%=2.2412%10%MIPS = f/(CPI*106) = (40*10

8、 6)/(2.24*10 6) = 17.86 (2)Amdahl 定律應(yīng)用題假定我們利用增加向量處理模塊來提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。計(jì)算機(jī)處理向量的速度比其通常的運(yùn)算要快20倍。我們將可用向量處理部分所花費(fèi)的時(shí)間占總時(shí)間的百分比稱為可向量化百分比。1) 求出加速比S和可向量化百分比 F之間的關(guān)系式。2) 當(dāng)要得到加速比為 2時(shí)的可向量化百分比 F為多少？解1)2)由上式 ,將 S=2 代入 得:F = 10/19 = 0.53第二章 指令系統(tǒng)【學(xué)習(xí)指南】一 .首先透切理解以下基本概念：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)表示、尋址技術(shù)、RISC 指令系統(tǒng)、 CISC 指令系統(tǒng)1. 指令系統(tǒng) （Instruction

9、Set Architecture, ISA） 是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟件與硬件的接口；主要研究數(shù)據(jù)表示、 尋址方式等內(nèi)容。2. 數(shù)據(jù)表示（ 1） 基本的數(shù)據(jù)表示方法，包括定點(diǎn)數(shù)、邏輯數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、字符、字符串、堆棧等，以及一些新 的數(shù)據(jù)表示方法和在數(shù)據(jù)表示方面的新的研究成果， 如自定義數(shù)據(jù)表示、 帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表 示法、數(shù)據(jù)描述符表示法及浮點(diǎn)數(shù)表示方面的研究成果等；（ 2） 數(shù)據(jù)表示的原則：縮短程序的運(yùn)行時(shí)間減少CPU與主存儲(chǔ)器之間的通信量數(shù)據(jù)表示的通用性和利用率（ 3） 計(jì)算機(jī)內(nèi)浮點(diǎn)數(shù)的表數(shù)范圍、表數(shù)精度和表數(shù)效率，浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)基值的選擇（4）浮點(diǎn)數(shù)的性質(zhì)和設(shè)計(jì)方法（ 5） 運(yùn)用浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行四則運(yùn)算3.

10、尋址方式（1）尋址技術(shù)研究的主要內(nèi)容包括編址方式、 尋址方式和定位方式等， 研究的對(duì)象主要有寄存器、 主存儲(chǔ)器、堆棧和輸入輸出設(shè)備等，其中以面向主存儲(chǔ)器的尋址技術(shù)為主要研究對(duì)象；（2） 編址方式是指對(duì)各種存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行編碼的方法，主要包括編址的單位、 零地址空間的個(gè)數(shù)等；（3） 尋找操作數(shù)及數(shù)據(jù)存放單元的方法稱為尋址方式。在分析各種尋址技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上， 重 點(diǎn)是能夠在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中如何選擇和確定采用哪種尋址技術(shù)；（4）程序的定位是指把指令和數(shù)據(jù)的邏輯地址（相對(duì)地址）轉(zhuǎn)換成主存儲(chǔ)器的物理地址（絕對(duì)地 址）。定位方式可分為三種：直接定位、靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位。4. 指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)（1）指令格式優(yōu)

11、化設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)有兩個(gè)， 一是節(jié)省程序的存儲(chǔ)空間， 二是指令格式要盡量規(guī)整， 以減少硬件譯碼的復(fù)雜程度。指令格式優(yōu)化后，不應(yīng)該降低指令的執(zhí)行速度。（2） 操作碼的表示方法通常有三種：固定長(zhǎng)度操作碼、Huffman 編碼法和擴(kuò)展編碼法。要重點(diǎn)掌 握 Huffman 編碼法和擴(kuò)展編碼法；（3）固定長(zhǎng)操作碼的主要優(yōu)點(diǎn)：規(guī)整，譯碼簡(jiǎn)單；主要缺點(diǎn)：浪費(fèi)信息量（操作碼的總長(zhǎng)位數(shù)增 加）（4）采用最優(yōu) Huffman 編碼法操作碼的最短平均長(zhǎng)度可以通過如下公式計(jì)算：nHPi log2P 其中：Pi表示第i種操作碼在程序中出現(xiàn)的概率i1固定長(zhǎng)操作碼相對(duì)于 Huffman 操作碼的信息冗余量為：采用 Huffm

12、an 編碼法操作碼的最短平均長(zhǎng)度可以通過如下公式計(jì)算：Huffman操作碼的主要缺點(diǎn)：操作碼長(zhǎng)度很不規(guī)整，硬件譯碼困難與地址碼共同組成固定長(zhǎng)的指令比較困難(5) 擴(kuò)展編碼法：由固定長(zhǎng)操作碼與Huffman編碼法相結(jié)合形成；(6) 縮短地址碼長(zhǎng)度的方法目標(biāo)：用一個(gè)短的地址碼表示一個(gè)大的邏輯地址空間用間址尋址方式縮短地址碼長(zhǎng)度在主存儲(chǔ)器的低端開辟一個(gè)專門存放地址的區(qū)域，用變址尋址方式縮短地址碼長(zhǎng)度由于程序的局部性，變址尋址方式中的地址偏移量比較短，用寄存器間接尋址方式縮短地址碼長(zhǎng)度，很有效的方法5. 指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)1) 指令系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)要求：完整性、規(guī)整性、高效率和兼容性；(2) 基本指令系統(tǒng)

13、包括數(shù)據(jù)傳送類指令、運(yùn)算類指令、程序控制類指令、輸入輸出指令、處理機(jī) 控制和調(diào)試指令；(3) 指令系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有兩個(gè)截然相反的方向：復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) CISC( Complex Instruction Set Computer )1) 增強(qiáng)指令功能，設(shè)置功能復(fù)雜的指令2) 面向目標(biāo)代碼、面向高級(jí)語言、面向操作系統(tǒng)3) 用一條指令代替一串指令精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) RISC( Reduced Instruction Set Computer )1) ?只保留功能簡(jiǎn)單的指令2) ?功能較復(fù)雜的指令用子程序來實(shí)現(xiàn)(4) RISC與CISC各自的特點(diǎn)和相互比較(5) RISC的關(guān)鍵技術(shù)延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)指令

14、取消技術(shù)重疊寄存器窗口技術(shù)以硬件為主固件為輔二.通過做例題和習(xí)題，會(huì)做下列類型的計(jì)算題：(1)浮點(diǎn)數(shù)表示題在浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)用原碼、小數(shù)表示，階碼用移碼、整數(shù)表示，尾數(shù)基值re = 2,階碼基值re = 2,階碼字長(zhǎng)q = 7,尾數(shù)字長(zhǎng)p = 55,尾數(shù)符號(hào)和階碼符號(hào)各一位，總字長(zhǎng) 為64位。這種浮點(diǎn)數(shù)表示方式的各項(xiàng)主要性能如下：解：能表示的最大尾數(shù)值：(1 rm p) (1 2 55)，即尾數(shù)數(shù)值部分的所有 55個(gè)二進(jìn)制位全 部為都1;1 1絕對(duì)值最小的尾數(shù)值： 2，尾數(shù)數(shù)值部分除最高一個(gè)二進(jìn)制位為1之外，其余54個(gè)二進(jìn)制位全部為0;能表示的最大階碼：req 1 27 1 127，包括階碼符號(hào)位

15、在內(nèi)的所有8個(gè)二進(jìn)制位全部為1；能表示的最小階碼：req 27128，包括階碼符號(hào)位在內(nèi)的所有 8個(gè)二進(jìn)制位全 部為0；最大正數(shù):(1rmP)rmeq1 (1 255)2,1 (1 255)21271701038；1J1 crm re2rm227最小正數(shù)：c 129214710 39 ；最大負(fù)數(shù)：1 r req1rm rm2271292 214710 39 ；最小負(fù)數(shù)：（1 rm P）rm* 1 （1 2 55）2刃 1 d 2170；存儲(chǔ)系統(tǒng)【學(xué)習(xí)指南】一.首先透切理解以下基本概念：存儲(chǔ)系統(tǒng)的定義、存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能參數(shù)、地址映象與變換方法、虛 擬存儲(chǔ)器、Cache存儲(chǔ)器、命中率、替換算法1.

16、提高存儲(chǔ)器性能的主要方法有層次存儲(chǔ)器、并行存儲(chǔ)器等。2. 典型的并行存儲(chǔ)器包括并行訪問存儲(chǔ)器、低位交叉存儲(chǔ)器和高位交叉存儲(chǔ)器。低位交叉存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是地址相鄰的信息存放在不同（相鄰）的存儲(chǔ)體中。高位交叉存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是地址相鄰的信息存放在同一存儲(chǔ)體中。3. 所謂存儲(chǔ)系統(tǒng)是指兩個(gè)或兩個(gè)以上速度、容量和價(jià)格各不相同的存儲(chǔ)器用硬件、軟件、或軟件與 硬件相結(jié)合的方法連接起來而成的系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序員透明，并且，從應(yīng)用程序員看它是一個(gè)存儲(chǔ)器，這個(gè)存儲(chǔ)器的速度接近速度最快的那個(gè)存儲(chǔ)器， 存儲(chǔ)容量與容量最大的那個(gè)存儲(chǔ) 器相等或接近，單位容量的價(jià)格接近最便宜的那個(gè)存儲(chǔ)器。 程序訪問的局部性原理是層次存儲(chǔ)系

17、統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)。4. 存儲(chǔ)器的主要性能參數(shù)：（1）存取時(shí)間：從CPI到第i層存儲(chǔ)器的往返時(shí)間。（2）存儲(chǔ)器容量：第i層的字節(jié)或字的數(shù)量。（3）每字節(jié)成本：（4）傳輸帶寬：相鄰層之間傳輸信息的速率。（5）傳輸單位：相鄰兩層之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧６龋ㄈ缱帧K、頁(yè)等） 。5. 層次存儲(chǔ)器性質(zhì)（1 ）包含性：內(nèi)層的信息必然包含于其外層。所有的信息最初放在最外層。在處理過程中，其子集被一步步復(fù) 制到內(nèi)層。（2 ）一致性：同一個(gè)信息項(xiàng)在后繼存儲(chǔ)器層次上的副本是一致的。如果在緩存中的一個(gè)字被修改過，那么在所有高層上該字的副本也必須立即或最后加以修改。 維護(hù)一致性的兩種策略：寫直達(dá)和寫回。前者指如果在內(nèi)層中修改了一個(gè)

18、字，在外層中必須立 即加以修改。而后者的處理方法是：在外層中的修改延遲到內(nèi)層中被修改的字被替換時(shí)才進(jìn)行。（3）局部性：時(shí)間局部性： 最近的訪問項(xiàng)很可能在不久的將來再次被訪問?？臻g局部性： 一個(gè)進(jìn)程所訪問的各項(xiàng)其地址彼此很近。順序局部性： 在典型程序中，除轉(zhuǎn)移指令產(chǎn)生不按次序的轉(zhuǎn)移外，指令都是順序進(jìn)行的。6. 層次存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的目的是使有效存取時(shí)間接近于最內(nèi)層存儲(chǔ)器的存取時(shí)間， 使總體的平均每 字成本接近于最外層存儲(chǔ)器的每字成本，容量接近于最大存儲(chǔ)器的容量。 本章主要論述兩個(gè)二級(jí)層次存儲(chǔ)系統(tǒng) cache 和虛擬存儲(chǔ)器。要解決的問題主要有：（1）塊/ 頁(yè)的定位問題。（ 2） 替換問題。（3） 一

19、致性問題。 （寫無效和寫更新）7. 虛擬存儲(chǔ)器由主存儲(chǔ)器和聯(lián)機(jī)工作的外部存儲(chǔ)器共同組成。虛擬存儲(chǔ)器有段式、頁(yè)式、段頁(yè)式等 地址映像與變換方法。加快內(nèi)部地址變換的技術(shù)主要有目錄表、快慢表、散列函數(shù)等。頁(yè)面替換 算法主要有 RAND FIFO、LRU LFl和OPT等算法。8. Cache的地址映像與變換方法有全相聯(lián)、直接相聯(lián)、組相聯(lián)和段相聯(lián)幾種。Cache的替換算法有輪轉(zhuǎn)法、FIFO、LRU LFU比較對(duì)法和堆棧法。Cache的實(shí)現(xiàn)全部是由硬件完成的。9. 影響主存命中率的主要因素有：1)程序在執(zhí)行過程中的頁(yè)地址流分布情況2)所采用的頁(yè)面替換算法3)頁(yè)面大小4)主存儲(chǔ)器的容量5)所采用的頁(yè)面調(diào)度

20、方法。10. Cache的命中率主要與如下幾個(gè)因素有關(guān)：（1 ） 程序在執(zhí)行過程中的地址流分布情況（2）當(dāng)發(fā)生Cache塊失效時(shí)，所采用的替換算法（3）Cache的容量（ 4） 在組相聯(lián)映象方式中，塊的大小和分組的數(shù)目11. 解決Cache與主存的不一致性問題，首先要選擇合適的Cache更新算法。一般有兩種 Cache更新算法，寫直達(dá)法和寫回法。二.通過做例題和習(xí)題，會(huì)做下列類型的計(jì)算題：（1）.層次存儲(chǔ)系統(tǒng)命中率、價(jià)格計(jì)算 題 在一個(gè) Cache 存儲(chǔ)系統(tǒng)中，主存儲(chǔ)器的訪問周期、 存儲(chǔ)容量和單位價(jià)格分別為 60ns、64MB和10元/MB, Cache的訪問周期、存儲(chǔ)容量和單位價(jià)格分別為 1

21、0ns、512KB和100 元 /MB， Cache 的命中率為 0.98 。（1）計(jì)算這個(gè)Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)的等效訪問周期、存儲(chǔ)容量和單位價(jià)格。（2）計(jì)算這個(gè)Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問效率。解：（1）這個(gè)Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)的等效訪問周期：T = Tc H + Tm （1-H）=10nsx0.98 + 60ns x（ 1-0.98）=11ns等效存儲(chǔ)容量：S = 64MB等效單位價(jià)格：C = ( Cc Sc + Cm Sm / (Sc + Sm)=(100X 0.5 + 10X 64) / (0.5 + 64)=10.7(元/MB)(2) 這個(gè) Cache 存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問效率：e = Tc/T=

22、10/11=0.91(2) 三種映射框圖 題 假定計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器按 64 塊組織，塊大小為 8 個(gè)字。高速緩存有 8 個(gè)塊框。試畫出采用以下 映射方法從主存儲(chǔ)器到高速緩存的映射關(guān)系。盡可能清楚地畫出所有的映射線。(1) 直接映射。(2) 全想聯(lián)映射。 解 ( 1)直接映射方式( 2)全聯(lián)想映射方式第四章 輸入輸出系統(tǒng)【學(xué)習(xí)指南】一 透切理解以下基本概念： DMA原理、通道處理機(jī)原理、中斷原理數(shù)組多路通道、選擇通道、字節(jié)多 路通道、外部設(shè)備、 I/O 性能評(píng)價(jià)1輸入輸出系統(tǒng)(1) 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通常把處理機(jī)和主存儲(chǔ)器之外的部分稱為輸入輸出系統(tǒng)，它包括輸入輸 出設(shè)備、輸入輸出接口和輸入輸出軟件

23、等。( 2)輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)是異步性、實(shí)時(shí)性和設(shè)備無關(guān)性。(3) 基本的輸入輸出方式有三種：程序控制輸入輸出方式、直接存儲(chǔ)器訪問方式(DMA )和中 斷輸入輸出方式。(4) 程序控制輸入輸出方式完全受 CPU 控制，數(shù)據(jù)的輸入輸出都要經(jīng)過 CPU ，用于連接低速外 圍設(shè)備。(5) 直接存儲(chǔ)器訪問方式( DMA )主要用于連接高速外圍設(shè)備，它使得存儲(chǔ)器既可被 CPU 訪 問，也可被外圍設(shè)備訪問。目前使用的 DMA 方式主要有三種：周期竊取方式、直接存取 方式和數(shù)據(jù)塊傳送方式。( 6)中斷輸入輸出方式使得 CPU 與外圍設(shè)備可以并行工作， 并可以處理例外事件。中斷方式常 用于連接低速外圍設(shè)備。2

24、中斷系統(tǒng)(1) 中斷系統(tǒng)通常由硬件和軟件同時(shí)實(shí)現(xiàn)。軟硬件的功能分配決定了中斷響應(yīng)時(shí)間。(2) 中斷響應(yīng)時(shí)間是指從一個(gè)中斷源向處理機(jī)發(fā)出中斷服務(wù)請(qǐng)求開始，到處理機(jī)實(shí)際開始執(zhí)行 這個(gè)中斷源的中斷服務(wù)程序時(shí)為止的時(shí)間。它由以下四個(gè)因素決定：最長(zhǎng)指令執(zhí)行時(shí)間、 在一條指令執(zhí)行完成后處理其他更緊急的任務(wù)所用時(shí)間、從第一次關(guān)中斷到第一次開中斷 所需的時(shí)間、找到中斷服務(wù)程序入口所需的時(shí)間。(3) 中斷源的識(shí)別有幾種方法。最簡(jiǎn)單的一種方法是查詢法，靈活性好，但速度慢。串行排隊(duì)鏈法和中斷向量法用軟硬件相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)中斷排隊(duì)，速度快， 但靈活性和可靠性差。獨(dú)立請(qǐng)求法克服了串行排隊(duì)鏈法可靠性差的缺點(diǎn)，但靈活性差

25、的缺點(diǎn)依然存在。（4）根據(jù)中斷的緊迫性、設(shè)備的工作速度、數(shù)據(jù)恢復(fù)的難易程度和要求處理機(jī)提供的服務(wù)質(zhì)量 等，把中斷源分為優(yōu)先程度不同的幾個(gè)級(jí)別，稱為中斷源的優(yōu)先級(jí)。處理機(jī)在執(zhí)行某一個(gè) 中斷源的中斷服務(wù)程序時(shí)，只能響應(yīng)比它優(yōu)先級(jí)高的中斷請(qǐng)求，不能響應(yīng)與它同級(jí)或低級(jí) 的中斷請(qǐng)求。（5）為提高中斷系統(tǒng)的靈活性，可以動(dòng)態(tài)地改變中斷源的優(yōu)先級(jí)，這就需要設(shè)置中斷屏蔽。設(shè) 置中斷屏蔽還可以決定設(shè)備是否采用中斷方式工作，或在多處理機(jī)系統(tǒng)中把中斷請(qǐng)求分配 到不同的處理機(jī)中。（6）中斷屏蔽的實(shí)現(xiàn)方法主要有兩種：一是為每個(gè)或每級(jí)中斷源都設(shè)置一個(gè)中斷屏蔽位，二是 改變處理機(jī)的優(yōu)先級(jí)。3通道處理機(jī)（ 1）在大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

26、中， 為把對(duì)外圍設(shè)備的管理工作從 CPU 中分離出來，普遍采用通道處理 機(jī)技術(shù)。采用通道方式組織的輸入輸出系統(tǒng)，多采用主機(jī)通道設(shè)備控制器 IO 設(shè)備四級(jí)連接方式。通道通過執(zhí)行通道程序?qū)崿F(xiàn)對(duì) IO 系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和控制。在 CPU 啟 動(dòng)通道后，通道自動(dòng)地去內(nèi)存取出通道指令并執(zhí)行指令。直到數(shù)據(jù)交換過程結(jié)束向 CPU 發(fā) 出中斷請(qǐng)求， CPU 才進(jìn)行通道結(jié)束處理工作。（2）通道可分為三類：字節(jié)多路通道、選擇通道和數(shù)組多路通道。字節(jié)多路通道常用于連接低 或中速的設(shè)備，選擇通道和數(shù)據(jù)多路通道用于連接高速設(shè)備。（3）對(duì)于以上的三種通道，當(dāng)每個(gè)通道上連接有P 臺(tái)外圍設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備都傳送 n 個(gè)字節(jié)時(shí)，總共

27、所需的時(shí)間分別為：TBYTE =（TS + TD） P nTSELECT =（TS / n + TD） P nTBLOCK =（TS / n + TD） P n其中Ts指設(shè)備選擇時(shí)間，Td指?jìng)魉鸵粋€(gè)字節(jié)所需的時(shí)間。（4）通道的流量是指一個(gè)通道在數(shù)據(jù)傳送期間內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)能夠傳送的最大數(shù)據(jù)量。一個(gè)通 道在滿負(fù)荷工作下的流量稱為通道最大流量。三種通道的最大流量計(jì)算公式如下：f MAX BYTE =（P n）/ （TS + TD） P n = 1 /（TS + TD） f MAX SELETE =（P n）/ （TS / n + TD） P n = 1 /（TS / n + TD） f MAX BL

28、OCK =（P n）/ （TS / k + TD） P n = 1 /（TS / k + TD）（5）字節(jié)多路通道的實(shí)際流量是指連接在這個(gè)通道上的所有設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸率之和。而選擇通 道和數(shù)據(jù)多路通道的實(shí)際流量是指連接在這個(gè)通道上的所有設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸率的最大值。PfBLOCK max fii14輸入輸出處理機(jī) 在大型、巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，常采用輸入輸出處理機(jī)來分擔(dān)中央處理機(jī)的輸入輸出任務(wù)。輸入輸出處 理機(jī)是一臺(tái)獨(dú)立的處理機(jī)，具有一定的運(yùn)算功能，它具有自己的存儲(chǔ)器，不必通過主存儲(chǔ)器就能完成 與外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，大大提高了系統(tǒng)性能。二.通過做例題和習(xí)題，會(huì)做下列類型的計(jì)算題：（1）字節(jié)多路通道實(shí)際工作

29、流量、通道最大流量和工作周期設(shè)計(jì)（2）中斷響應(yīng)和中斷處理時(shí)間的計(jì)算題一個(gè)字節(jié)多路通道連接 D1、D2、D3、D4、D5共5臺(tái)，這些設(shè)備分別每 10ms、30ms、30ms、50ms 和 75ms 向通道發(fā)出一次數(shù)據(jù)傳送的服務(wù)請(qǐng)求。a）計(jì)算這個(gè)字節(jié)多路通道的實(shí)際流量和工作周期。b）如果設(shè)計(jì)字節(jié)多路通道的最大流量正好等于實(shí)際流量，并假定對(duì)數(shù)據(jù)傳輸率高的設(shè)備，通道響應(yīng)它 的數(shù)據(jù)傳送請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)也高。 5臺(tái)設(shè)備在 0時(shí)刻同時(shí)向通道發(fā)出第一次傳送數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，并在以后 的時(shí)間里按照各自的數(shù)據(jù)傳輸率連續(xù)工作。 畫出通道分時(shí)為各臺(tái)設(shè)備服務(wù)的時(shí)間關(guān)系圖， 并計(jì)算這個(gè)c）從時(shí)間關(guān)系圖上發(fā)現(xiàn)什么問題？如何字節(jié)多路通

30、道處理完各臺(tái)設(shè)備的第一次數(shù)據(jù)傳送請(qǐng)求的時(shí)刻。 解決這個(gè)問題？解a) 這個(gè)字節(jié)多路通道的實(shí)際流量為fBYTE =( 1/10 + 1/30 + 1/30 + 1/50 + 1/75 )= 0.2( MB/s )。通道的工作周期為 t = 1/f = 5 ms/B ，包括通道選擇設(shè)備的時(shí)間 Ts 和為設(shè)備傳送一個(gè)字節(jié)所用的時(shí)間 Td。 b） 5 臺(tái)設(shè)備向通道請(qǐng)求傳送數(shù)據(jù)和通道為它們服務(wù)的時(shí)間關(guān)系如圖所示。向上的箭頭表示設(shè)備 的數(shù)據(jù)傳送請(qǐng)求， 有陰影的長(zhǎng)方形表示通道響應(yīng)設(shè)備的請(qǐng)求并為設(shè)備服務(wù)所用的時(shí)間間隔，包括通道選擇設(shè)備的時(shí)間和為設(shè)備傳送一個(gè)字節(jié)所用的時(shí)間，這兩部分時(shí)間之和為5ms。在圖中， 5

31、臺(tái)設(shè)備在 0時(shí)刻同時(shí)向通道發(fā)出第一次傳送數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，通道處理各個(gè)設(shè)備第一次請(qǐng)求時(shí) 間如下：處理完設(shè)備D1 的第一次請(qǐng)求的時(shí)刻為5ms；處理完設(shè)備D2的第一次請(qǐng)求的時(shí)刻為10ms；處理完設(shè)備D3的第一次請(qǐng)求的時(shí)刻為20ms；處理完設(shè)備D4的第一次請(qǐng)求的時(shí)刻為30ms；設(shè)備 D5 的第一次請(qǐng)求沒有得到響應(yīng)，直到第 85ms 通道才開始響應(yīng)設(shè)備 D5 的服務(wù)請(qǐng)求，這 時(shí)，設(shè)備已經(jīng)發(fā)出了兩個(gè)傳送數(shù)據(jù)的服務(wù)請(qǐng)求，因此，第一次傳送的數(shù)據(jù)有可能要丟失。通道分時(shí)為 D1D5 各臺(tái)設(shè)備服務(wù)的時(shí)間關(guān)系圖C）當(dāng)字節(jié)多路通道最大流量與連接的設(shè)備數(shù)據(jù)流量之和非常接近時(shí)，如果傳輸速度高的設(shè)備頻繁發(fā)出 服務(wù)請(qǐng)求，并且優(yōu)先得

32、到響應(yīng)，那么某些低速設(shè)備可能在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)得不到響應(yīng)?？刹扇∫韵?幾種方法：1）增加通道的最大流量。 2）動(dòng)態(tài)改變?cè)O(shè)備的優(yōu)先級(jí)，如在 3070ms 之間臨時(shí)提高設(shè)備 D5 的優(yōu)先級(jí)。 3）增加一定數(shù)量的數(shù)據(jù)緩沖器，特別是對(duì)優(yōu)先級(jí)比較低的設(shè)備。第五章 標(biāo)量處理機(jī)與流水線學(xué)習(xí)指南】一.首先透切理解以下基本概念：數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)、資源沖突、靜態(tài)流水線、動(dòng)態(tài)流水線、 流水線吞吐率、流水線效率、流水線加速比、多發(fā)射、超標(biāo)量流水線、超流水線、超標(biāo)量超流水 線1. 流水線的原理、特點(diǎn)及其分類。流水線方式是把一個(gè)重復(fù)的過程分解為若干個(gè)子過程，每個(gè)子過程可以和其他的子過程同時(shí)進(jìn)行， 即所謂的時(shí)間并行性。

33、流水線的工作可以用時(shí)空 圖來描述。流水線有以下的特征：為了提高流水線的效率，應(yīng)該盡可能的為流水線提供連續(xù) 的任務(wù)；流水線由很多相聯(lián)的功能段組成，為了平衡功能段之間的速度差，功能段之間需要 設(shè)置緩沖寄存器；流水線中每個(gè)功能段的時(shí)間應(yīng)該盡量相等，以免形成“瓶頸”，否則應(yīng)該對(duì)功能段再劃分或者采用多個(gè)功能部件； 流水線需要裝入和排空時(shí)間， 只有在流水線完全充 滿時(shí)，它才能充分發(fā)揮效率。根據(jù)不同的角度，流水線可以被劃分成以下的類別：線性流水 線，非線性流水線；指令流水線，運(yùn)算操作流水線，宏流水線；單功能流水線，多功能流水 線；靜態(tài)流水線，動(dòng)態(tài)流水線等。2. 流水線的性能分析。衡量流水線性能的主要指標(biāo)有吞

34、吐率，加速比，效率。流水線的吞吐率TP定義為單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)量或者輸出的結(jié)果數(shù)量，基本公式如下：TPn為任務(wù)數(shù)，Tk是完成n個(gè)任務(wù)所用的時(shí)間。流水線的加速比 S指完成一批任務(wù)，不使用流水線所用的時(shí)間與使用流水線所用的時(shí)間之 比稱為流水線的加速比：S匸Tk其中To指順序執(zhí)行所用的時(shí)間， Tk時(shí)使用流水線的執(zhí)行時(shí)間。流水線的效率E是指流水線的設(shè)備利用率， 在時(shí)空?qǐng)D上，流水線的效率定義為 n個(gè)任務(wù)占 用的時(shí)空區(qū)與k個(gè)功能段總的時(shí)空區(qū)之比。n個(gè)任務(wù)占用的時(shí)空區(qū)Ek個(gè)流水線的總的時(shí)空區(qū)二.通過做例題和習(xí)題，會(huì)做下列類型的計(jì)算題：(1) 畫時(shí)空?qǐng)D(這是本章計(jì)算題的基礎(chǔ)，無論是否要求畫出時(shí)空?qǐng)D

35、，建議畫出時(shí)空?qǐng)D，這對(duì)計(jì)算 其他參數(shù)都有好處)(2) 流水線吞吐率、加速比和效率的計(jì)算題假設(shè)一條指令的執(zhí)行過程分為“取指令”、“分析”和“執(zhí)行”三段，每一段的時(shí)間分別為t、2 t和3 to在下各種情況下，分別寫出連續(xù)執(zhí)行n條指令所需要的時(shí)間表達(dá)式。(1) 順序執(zhí)行方式。(2) “取指令”、“分析”和“執(zhí)行”重疊。解(1) 順序執(zhí)行時(shí)每條指令用時(shí) =t+2 t+3 t=6 t, 因此n條指令所需要的時(shí)間=6n* t(2) 第一條指令完成需要時(shí)間 =t+2 t+3 t=6 t，由于一條指令的“取指令”和“分析”階段和下一條指令的“執(zhí)行”階段重疊，因此，此后每3 t完成一條指令，余下的n-1條指令用

36、時(shí)(n-1)*3 t.因此n條指令所需要的時(shí)間=6 t+(n-1)*3t=3(n+1) t題一動(dòng)態(tài)多功能流水線由6個(gè)功能段組成，如下圖：其中：s1、S4、S5、S6組成乘法流水線，S1、S2、S3、S6組成加法流水線，各個(gè)功能段時(shí)間均 為50ns。假定該流水線的輸出結(jié)果可以直接返回流水線輸入端，而且設(shè)置有足夠的緩沖寄存器。若5按照最快的方式用該流水線計(jì)算fXi yi zi。i 1(1 )請(qǐng)畫出其處理過程的時(shí)空?qǐng)D。(2)計(jì)算其實(shí)際吞吐率，加速比和效率。解(1):乘法操作用到的流水段有：S1、S4、S5、S6 ;加法操作用到的流水段有：S1、S2、S3、S6。以最快的方式處理的流水線時(shí)空?qǐng)D如圖所示

37、：555:A部分所處理的是oixiyi；B部分所處理的是qiOiZ;C部分所處理的是fqi。i 1i 1i 1整個(gè)處理過程共需 22個(gè)時(shí)鐘周期。而進(jìn)行了 14次不同的運(yùn)算，所以其實(shí)際吞吐率為：這些運(yùn)算串行處理所需要的時(shí)鐘周期為56個(gè)時(shí)鐘周期，所以其加速比為：56效率為：S42.4%22 6第六章向量處理機(jī)【學(xué)習(xí)指南】一.首先透切理解以下基本概念：向量、向量處理三種算法、向量處理機(jī)兩種結(jié)構(gòu)、鏈接、向量指令 處理時(shí)間、最大性能 氐、半性能向量長(zhǎng)度1. 把N個(gè)互相獨(dú)立的數(shù)叫做向量”，對(duì)這樣一組數(shù)的運(yùn)算叫做向量處理” 。一條向量指令可以 處理N個(gè)或N對(duì)操作數(shù)。2. 向量處理的方式(1) 橫向處理方式:

38、向量計(jì)算是按行的方式從左至右橫向進(jìn)行。(2) 縱向處理方式:向量計(jì)算是按列的方式自上而下縱向進(jìn)行。(3) 縱橫處理方式:橫向處理和縱向處理相結(jié)合的方式3.向量處理機(jī)一般有如下兩種結(jié)構(gòu)：(1) 利用幾個(gè)獨(dú)立的內(nèi)存模塊來支持對(duì)相互獨(dú)立的資料的并發(fā)訪問，從而達(dá)到所要求的內(nèi)存帶寬，即存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。在運(yùn)算流水線的輸入端和輸出端增加了緩沖器以便消除爭(zhēng)用內(nèi)存的現(xiàn)象。(2) 構(gòu)造一個(gè)具有所要求帶寬的高速中間內(nèi)存，并能實(shí)現(xiàn)該高速中間內(nèi)存與主存儲(chǔ)器之間的快速資料交換，即寄存器寄存器結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要思想是使操作數(shù)離處理器很近，以保證處理器一直處于忙狀態(tài)。中間內(nèi)存提供給處理器快速存取的資料，而成本又比

39、較低。4. 提高向量處理機(jī)性能的常用技術(shù)(1) 鏈接技術(shù)(2) 向量循環(huán)或分段開采技術(shù)5. 向量指令的處理時(shí)間Tvp Ts Tvf (n 1)Tc其中，Ts為向量流水線的建立時(shí)間，它包括向量起始地址的設(shè)置、計(jì)數(shù)器加1、條件轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行等。Tvf為向量流水線的流過時(shí)間，它是一條指令從開始譯碼到流過流水線得到第一個(gè)結(jié)果元素的 時(shí)間。Tc為流水線“瓶頸”段的執(zhí)行時(shí)間。一組向量操作的執(zhí)行時(shí)間主要取決于下面三個(gè)因素：向量的長(zhǎng)度、向量操作之間是否存在流水功能部件的沖突和數(shù)據(jù)的相關(guān)性。9最大性能R表示當(dāng)向量長(zhǎng)度為無窮大時(shí)的向量流水線的最大性能。常在評(píng)價(jià)峰值性能時(shí)使用，單位為MFLOPS。它可表示為：.浮點(diǎn)運(yùn)

40、算次數(shù)時(shí)鐘頻率Rlnm循環(huán)所花費(fèi)的時(shí)鐘周期數(shù)因?yàn)榉肿拥闹蹬cn無關(guān)，所以浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)時(shí)鐘頻率lim循環(huán)所花費(fèi)的時(shí)鐘周期 數(shù)浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)時(shí)鐘頻率limnTnn6. ni/2為達(dá)到一半值所需的向量長(zhǎng)度。它是評(píng)價(jià)向量流水線建立時(shí)間對(duì)性能影響的參數(shù)。它表示為建立流水線而導(dǎo)致的性能損失。二.通過做例題和習(xí)題，會(huì)做下列類型的計(jì)算題：（1）判別并行、鏈接的條件（2）計(jì)算向量處理時(shí)間題一臺(tái)單處理機(jī)可以以標(biāo)量方式運(yùn)行，也可以以向量方式運(yùn)行。在向量方式情況下，計(jì)算可比標(biāo)量方式快9倍。設(shè)某基準(zhǔn)程序在此計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的時(shí)間為T。另外，已知T的25%用于向量方式，其余的時(shí)間則以標(biāo)量方式運(yùn)行。（1） 計(jì)算在上述條件下與完全不

41、用向量方式條件下相比的加速比，并計(jì)算上述程序中向量化代碼 所占的比例 。（2）假設(shè)我們改進(jìn)硬件使向量方式與標(biāo)量方式之間的速度比加倍，試計(jì)算可達(dá)到的加速比。（3）如果要達(dá)到與（2）相同的加速比，用的方法是改進(jìn)編譯器，而不是改進(jìn)硬件，那么，用向 量化編譯器支持同樣的基準(zhǔn)程序，其新的向量化比率是多少？解（1）由于T中向量化代碼所占的時(shí)間為0.25T，則串行代碼用時(shí)=T-0.25T=0.75T，所以完全不用向量方式執(zhí)行該段代碼用時(shí) =0.75T+9*0.25T=3T,因此加速比=3T/T=3.根據(jù)Amdahl定律.75%3.43;1加速比R751 0.7518(3)由題意:3.43-1;因此,80%第

42、七章互連網(wǎng)絡(luò)【學(xué)習(xí)指南】一.首先透切理解以下基本概念：互連網(wǎng)絡(luò)的作用、靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)尋徑、蟲蝕尋徑、 線路開關(guān)尋徑、虛擬直通尋徑1. 互連網(wǎng)絡(luò)基本概念（1 ）互連網(wǎng)絡(luò)互連網(wǎng)絡(luò)是一種由開關(guān)元件按照一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，用來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部多個(gè)處理機(jī)或多個(gè)功能部件之間的相互連接.（2 ）互連函數(shù)為了反映不同互連網(wǎng)絡(luò)的連接特性，每種互連網(wǎng)絡(luò)可用一組互連 函數(shù)來描述.如果將互連網(wǎng)絡(luò)的N個(gè)輸入端和N個(gè)輸出端分別用 0,1,2,.,N-1來表示，則互連函數(shù)表示相互連接的輸入端和輸出端號(hào)之 間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.或者說，存在互連函數(shù)f,在它的作用下，輸入i應(yīng)與f（i）相連，這里0=i=N

43、-1.表示互連函數(shù)常用兩種方法：函數(shù)表示法和輸入輸出對(duì)應(yīng)表示法.2. 互連網(wǎng)絡(luò)的特性(1)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模 : 網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)數(shù)目 ;(2)結(jié)點(diǎn)度與結(jié)點(diǎn)相連的邊數(shù) ;(3) 距離兩結(jié)點(diǎn)間相連的最少邊數(shù) ;(4) 網(wǎng)絡(luò)直徑 : 網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間距離的最大值(5) 等分寬度 : 網(wǎng)絡(luò)被切成相等的兩半時(shí)沿切口的最小邊數(shù)(6) 結(jié)點(diǎn)間線長(zhǎng) : 任兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間線的長(zhǎng)度(7) 對(duì)稱性若從任何結(jié)點(diǎn)看網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都一樣,則稱該網(wǎng)絡(luò)為對(duì)稱網(wǎng)絡(luò) .3. 網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能特性(1)頻寬 消息進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后 ,互連網(wǎng)絡(luò)傳輸消息的最大速率 ,單位用 bit/sec( 或 mb/s).(2)傳輸時(shí)間 消息通過網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間 ,等于消息長(zhǎng)度

44、除以頻寬 ;(3)飛行 時(shí)間 消息的第一位信息到達(dá)接收方所花費(fèi)的時(shí)間,它包括由于網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)或者其他硬件所引起的時(shí)延(4)傳輸時(shí)延 它是消息在互連網(wǎng)絡(luò)上所花費(fèi)的時(shí)間 ,但不包括消息進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)和到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)后從 網(wǎng)絡(luò)接口硬件取出數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間 ,它等于 飛行 時(shí)間和傳輸時(shí)間之和 .(5)發(fā)送方開銷 處理器把消息放到互連網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間 ,包括硬件和軟件所花費(fèi)的時(shí)間(6)接收方開銷 處理器把到達(dá)的消息從互連網(wǎng)絡(luò)取出來的時(shí)間,包括軟件和硬件所花費(fèi)的時(shí)間 .4. 互連網(wǎng)絡(luò)分類(1) 分類法 I 靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò) ：各結(jié)點(diǎn)間有專用連接通路且運(yùn)行中不能改變的網(wǎng)絡(luò)。動(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)： 設(shè)置有源開關(guān)，可以根據(jù)需要借助控制信號(hào)

45、對(duì)連接通路加以重新組 合實(shí)現(xiàn)要求的通信模式的網(wǎng)絡(luò)。( 2)分類法 II 共享介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)：同一時(shí)間只允許一個(gè)設(shè)備進(jìn)行存??； 非阻塞網(wǎng)絡(luò)：邏輯上的交叉開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，除非存在不同輸入端口向同一輸出 端口發(fā)送消息；否則消息通信將不會(huì)阻塞；直接網(wǎng)絡(luò)：指網(wǎng)絡(luò)中的處理器是點(diǎn)到點(diǎn)連接的(靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)) 。 間接網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)不是通過直接相連的通道進(jìn)行消息通信，而是通 過網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行；混合網(wǎng)絡(luò)：指一個(gè)互連網(wǎng)絡(luò)中混合了多種以上網(wǎng)絡(luò)。5. 消息傳遞機(jī)制( 1) 消息尋徑方式線路交換 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)尋徑虛擬直通蟲蝕尋徑( 2) 死鎖和虛擬通道虛擬通道 虛擬通道是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的邏輯鏈 ,它是由源結(jié)點(diǎn)的片緩沖區(qū) , 結(jié)點(diǎn)間的物理

46、通 道以及接收結(jié)點(diǎn)的片緩沖區(qū)組成死鎖的產(chǎn)生和避免緩沖區(qū)或通道上的循環(huán)等待可能產(chǎn)生死鎖利用虛擬通道可以解決死鎖6. 流控制策略(1)包沖突的解決用緩沖實(shí)現(xiàn)虛擬直通阻塞策略揚(yáng)棄并重發(fā)策略 阻塞后繞道(2 )確定尋徑和自適應(yīng)尋徑7. 選播和廣播尋徑(1)單播：對(duì)應(yīng)于一對(duì)一的通信情況，即一個(gè)源結(jié)點(diǎn)發(fā)送消息到一個(gè)目的結(jié)點(diǎn) 選播：對(duì)應(yīng)于一到多的通信情況，即一個(gè)源結(jié)點(diǎn)發(fā)送同一個(gè)消息到多個(gè)目的結(jié)點(diǎn)(3) 廣播：對(duì)應(yīng)于一到全體的通信情況，即一個(gè)源結(jié)點(diǎn)發(fā)送同一個(gè)消息到全部結(jié)點(diǎn)(4) 會(huì)議：對(duì)應(yīng)于多到多的通信情況.8. 通道流量和通道時(shí)延通道流量和通道時(shí)延是描述效率常用的兩個(gè)參數(shù)優(yōu)化的尋徑網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能以最小流量和最小

47、時(shí)延實(shí)現(xiàn)有關(guān)的通信模式然而這兩個(gè)參數(shù)并不是毫不相關(guān)的，達(dá)到最小流量同時(shí)不一定能達(dá)到最小時(shí)延，相反的情況也如此二.通過做例題和習(xí)題，會(huì)做下列類型的計(jì)算題：(1) 網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延計(jì)算(2) 網(wǎng)絡(luò)通道流量計(jì)算題假設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的頻寬為10兆位/秒，發(fā)送方開銷和接收方開銷分別等于230微秒和270微秒。如果兩臺(tái)機(jī)器相距100米，現(xiàn)在要發(fā)送一個(gè) 1000字節(jié)的消息給另一臺(tái)機(jī)器，試計(jì)算總時(shí)延。如果兩臺(tái) 機(jī)器相距1000公里，那么總時(shí)延為多大？解:光的速度為.5公里/秒，信號(hào)在導(dǎo)體中傳遞速度大約是光速的50%，所以“飛行”時(shí)間可以計(jì)算出來了。那么相距 100米時(shí)總時(shí)延為：T=發(fā)送方開銷+ “飛行”時(shí)間+消息長(zhǎng)度頻

48、寬+接收方開銷= 230 s0.1Km0.5 299792.5Km/s1000 8位10兆位/秒270 s= 230 S 0.67 s 800 S 250 S=1301 s相距1000公里時(shí)的總時(shí)延為:第八章并行處理機(jī)和多處理機(jī)【學(xué)習(xí)指南】一 .首先透切理解以下基本概念：并行處理機(jī)基本結(jié)構(gòu)、SIMD 計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)、陣列處理機(jī)基本結(jié)構(gòu)、IMD計(jì)算機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)、 共享存儲(chǔ)多處理機(jī)、 分布存儲(chǔ)多處理機(jī)、 多處理機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)、 MPR SMP 機(jī)群系統(tǒng)。1. SIMD 計(jì)算機(jī)模型（1）SIMD 計(jì)算機(jī)的抽象模型在同一個(gè)控制部件的管理下 ,有多個(gè)處理單元。所有處理單元均收到從控制部件廣播來的 同一條指令

49、，但操作對(duì)象是不同的數(shù)據(jù)。（2）SIMD 計(jì)算機(jī)的操作模型SIMD 計(jì)算機(jī)的操作模型用五元組表示：M = （N，C，I，M，R）。其中, 五元組中各符號(hào)的含義：N-機(jī)器的處理單元（PE）數(shù)；C-由控制部件（CU）直接執(zhí)行的指令集，包括標(biāo)量和程序流控制指令；I-由CU廣播至所有PE進(jìn)行并行執(zhí)行的指令集，包括算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)尋徑、 屏蔽以及其他由每個(gè)活動(dòng)的PE對(duì)它的數(shù)據(jù)所執(zhí)行的局部操作；M-屏蔽方案集，其中每種屏蔽將PE集劃分為允許操作和禁止操作兩種子集；R-數(shù)據(jù)尋徑功能集，說明互連網(wǎng)絡(luò)中 PE 間通信所需要的各種設(shè)置模式。（ 3）可以用上述五元組描述一臺(tái)具體的SIMD 機(jī)器。（ 4） S

50、IMD 計(jì)算機(jī)處理單元的粒度：細(xì)粒度、中粒度。2. SIMD 計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（ 1）分布式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 分布式存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的體系模型、工作原理和特點(diǎn)。（ 2）共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 共享存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的體系模型、工作原理和特點(diǎn)。3. SIMD 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)（1）SIMD計(jì)算機(jī)的實(shí)質(zhì)是利用了多 PE的空間并行性來提高計(jì)算速度。（2）SIMD 計(jì)算機(jī)與流水線向量處理機(jī)的相同與不同。4. 多處理機(jī)結(jié)構(gòu)由如何臺(tái)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)組成，每臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠獨(dú)立執(zhí)行自己的程序，又稱多指令流 多數(shù)據(jù)流（ MIMD ）結(jié)構(gòu)。多處理機(jī)系統(tǒng)中的處理機(jī)之間通過某種方式（如互連網(wǎng)絡(luò)）互連，從 而實(shí)現(xiàn)程序之間的數(shù)據(jù)交換和同步。5. 使用多處理機(jī)的主

51、要目的是利用多臺(tái)處理機(jī)并發(fā)地執(zhí)行一個(gè)作業(yè)，使得執(zhí)行速度比單處理機(jī)快； 有時(shí)候，使用使用多處理機(jī)的主要目的是提高可靠性而不是高性能，如果某臺(tái)處理機(jī)出現(xiàn)故障， 那么它的程序可以由系統(tǒng)中其它處理機(jī)來執(zhí)行。6. 多處理機(jī)有兩種基本的結(jié)構(gòu)：共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和本地存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。共享存儲(chǔ)器方案中，存儲(chǔ)器和I/O 設(shè)備是獨(dú)立的子系統(tǒng)， 為所有處理機(jī)所共享， 這是實(shí)現(xiàn)信息交換和同步最簡(jiǎn)單的辦法， 任何兩 臺(tái)處理機(jī)都可以通過共享存儲(chǔ)器的單元實(shí)現(xiàn)通信。本地存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)每臺(tái)處理機(jī)都有自己的存儲(chǔ)器 和 I/O 設(shè)備，處理機(jī)之間通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信息交換實(shí)現(xiàn)通信。7. 多處理機(jī)的主要特點(diǎn)包括：（ 1 ） 結(jié)構(gòu)的靈活性。與 SIMD

52、計(jì)算機(jī)相比，多處理機(jī)的結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的通用性，它可以同時(shí)對(duì) 多個(gè)數(shù)組或多個(gè)標(biāo)量數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理，這要求多處理機(jī)能夠適應(yīng)更為多樣的算法，具 有靈活多變的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。（ 2） 程序并行性。并行處理機(jī)實(shí)現(xiàn)操作一級(jí)的并行，其并行性存在于指令內(nèi)部，主要用來解決 數(shù)組向量問題；而多處理機(jī)的并行性體現(xiàn)在指令外部，即表現(xiàn)在多個(gè)任務(wù)之間。（ 3） 并行任務(wù)派生。多處理機(jī)是多指令流操作方式，一個(gè)程序中就存在多個(gè)并發(fā)的程序段，需 要專門的程序段來表示它們的并發(fā)關(guān)系以控制它們的并發(fā)執(zhí)行，這稱為并行任務(wù)派生。（ 4） 進(jìn)程同步。并行處理機(jī)實(shí)現(xiàn)操作級(jí)的并行，所有處于活動(dòng)狀態(tài)的處理單元受一個(gè)控制器控 制，同時(shí)執(zhí)行共同的指令，工作自然同步；而多處理機(jī)實(shí)現(xiàn)指令、任務(wù)、程序級(jí)的并行， 在同一時(shí)刻，不同的處理機(jī)執(zhí)行著不同的指令，進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)相關(guān)和控制依賴決定了要 采取一定的進(jìn)程同步策略。8. 如果多處理機(jī)